초기 연구에서는 제주대학교 교육대학 초등컴퓨터교육과 초등창의컴퓨터교실 의 교육기부 프로그램에 참가한 제주 시내 초등학교 3～6학년 학생 41명을 대상 으로 실시하였다. 개발된 퍼즐 기반 학습 프로그램을 동일한 집단에게 가능한 모 든 변인을 통제한 상황에서 2주간 35차시에 걸쳐 적용하였다.
(2) 교육 내용
요구 분석 결과 및 퍼즐 기반 컴퓨터 교육의 특성에 따라 <표 Ⅳ-1>과 같 이 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 10대 영역 하위에 학습 주제를 선정하고 그 에 따른 세부 제재를 선정하고 투입하였다.
<표 Ⅳ-1> 초기 프로그램 투입 주제 및 제재
학습주제 주제별 퍼즐 소재 중심
학습주제 주제별 퍼즐 소재 중심 창의성 요소
패리티 비트 퍼즐30. 패리티 십자퍼즐 정교성
암호 퍼즐31. 왕이 보낸 편지 퍼즐32. 원탁 암호
유창성 융통성 암호 퍼즐33. 원탁 암호
퍼즐34. 배열 암호
유창성 민감성
암호 퍼즐35. 스키테일 암호 독창성
암호 심화
퍼즐36. 쪽지 암호 퍼즐37. 폴리비우스 암호
민감성 융통성
문제 해결
분할정복 퍼즐38. 트리오미노 퍼즐 정교성
백트래킹 퍼즐39. 태양의 눈물을 찾아라! 재구성력
백트래킹 퍼즐40. 장기퍼즐 유창성
(3) 적용
창의적 산출물 생산을 위한 5단계를 설정하고 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그 램을 적용하였다.
[그림 Ⅳ-1] 초기 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 활동 장면
프로그램 적용 예시는 [그림 Ⅳ-2], [그림 Ⅳ-3]과 같다.
[그림 Ⅳ-2] 탐색 단계 퍼즐 예시
[그림 Ⅳ-3] 개념 적용 단계: 나만의 퍼즐 만들기 예시
2) 1차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램(교수·학습 모형 개선)
(1) 연구 대상
1차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 연구에서는 D초등학교 5학년 31명 A그룹을 실험군으로 하고 J초등학교 5학년 25명 B그룹, J초등학교 5학년 24명 C그룹을 비교군으로 하여 연구를 시작하였다. 그리고 J초등학교 B그룹과 C그룹 중 A그룹과 사전 컴퓨팅 사고력과 창의성 검사에서 동질 집단으로 확인된 B그 룹을 비교군으로 선정하였다. 그리고 아래의 내용으로 실험군에 요구 분석을 실 시하였다. 그리고 선정된 D초등학교 5학년 A그룹 31명과 J초등학교 5학년 B그룹 25명을 대상으로 18주간 총 33시간(수업 28시간, 사전ㆍ사후검사 5시간)에 걸쳐 전 통적 컴퓨터 교육과 CT-LC모형(퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형)을 적용한 퍼 즐 기반 컴퓨터 교육을 실시하였다.
<표 Ⅳ-2> 연구 대상 집단과 사례 수(5학년)
그룹
학생수
남학생 여학생 합계
실험군(A) 17 14 31
비교군(B) 13 12 25
합계 30 26 56
(2) 교육 내용
요구 분석 결과 및 퍼즐 기반 컴퓨터 교육의 특성에 따라 <표 Ⅳ-3>과 같이 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 10대 영역 하위에 학습 주제를 선정하고 그에 따른 세부 제재를 선정하고 투입하였다.
1차 개선 학습 제재
퍼즐1. 빌려드릴 텐트 찾기 퍼즐11. 달걀이 깨지는 높이(이진탐색) 퍼즐2. 애플카드게임 퍼즐12. 볼링공 정렬(선택정렬)
퍼즐3. 숫자가 없는 시계 퍼즐13. 볼링공 정렬(버블정렬) 퍼즐4. 과일 옮기기 퍼즐14. 호텔에 간 손님
퍼즐5. 벽면 타일 옮기기 퍼즐15. 호텔에 간 손님2 퍼즐6. 로봇그림그리기(기본) 퍼즐16. 극장에 간 손님 퍼즐7. 로봇그림그리기(기본) 퍼즐17. 비즈공예 퍼즐8. 로봇그림그리기(심화) 퍼즐18. 주차장 문제 퍼즐9. 로봇그림그리기(심화) 퍼즐19. 볼링공 문제 퍼즐10. 달걀이 깨지는 높이1 퍼즐20. 긴 줄넘기 순서 퍼즐11. 달걀이 깨지는 높이2 퍼즐29. 패리티 십자퍼즐 퍼즐12. 볼링공 정리하기1 퍼즐30. 왕이 보낸 편지 퍼즐13. 볼링공 정리하기2 퍼즐31. 원탁 암호1 퍼즐14. 호텔에 간 손님 퍼즐31. 원탁 암호2 퍼즐15. 호텔에 간 손님2 퍼즐32. 전치 암호 퍼즐16. 극장에 간 손님 퍼즐33. 스키테일 암호
퍼즐17. 비즈공예 퍼즐34. 쪽지 암호
퍼즐18. 주차장 문제 퍼즐35. 폴리비우스 암호 + 전치암호 퍼즐19. 내가 원하는 볼링공 퍼즐36. 태양의 눈물을 찾아라!
<표 Ⅳ-3> 1차 개선 프로그램 투입 주제 및 제재
(3) 교육 모형
1차 개선 프로그램에서는 창의적 산출물 생산을 위한 퍼즐 기반 학습 5단계에서 단계별 컴퓨팅 사고력을 활성화하기 위해 창의적 탐색 중심 순환학습(Creative Exploration-Based Learning Cycle, CE-LC) 모형을 개발하고 전문가 검증을 거친 후 현장에 적용하였다.
창의적 탐색 중심 순환학습 모형은 ‘문제의 이해’, ‘아이디어 설계’, ‘최선의 아이 디어 선택’, ‘개념 도입’, ‘개념 확장’, ‘평가’ 6단계로 이루어지며 순환학습 모형의 탐 색단계에 해당되는 1∼3단계에서 컴퓨팅 사고력 신장을 위한 주된 활동이 이루어 진다.
(4) 적용
개발한 모형에 따라 학습 단계를 설정하고 [그림 Ⅳ-4]와 같이 퍼즐 기반 컴퓨 터 교육 프로그램을 적용하였다.
[그림 Ⅳ-4] 1차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 활동 장면
프로그램 적용 예시는 [그림 Ⅳ-5]와 같다.
[그림 Ⅳ-5] 1차 개선 프로그램 문제 해결 설계도
2차 개선 학습 제재
퍼즐1. 빌려드릴 텐트 찾기 퍼즐18. 긴 줄넘기 순서 퍼즐2. 애플카드게임 퍼즐19. 수학계산 문제 퍼즐3. 숫자가 없는 시계 퍼즐20. 신밧드와 마법의 문1 퍼즐4. 과일 옮기기 퍼즐21. 신밧드와 마법의 문2 퍼즐5. 벽면 타일 옮기기 퍼즐22. 유럽여행계획 세우기 퍼즐6. 로봇그림그리기1 퍼즐23. 단어 압축하기
퍼즐7. 로봇그림그리기2 퍼즐24. 한 번 더 말할 수 있어요!
퍼즐8. 비밀 메시지 보내기 퍼즐25. 압축된 단어 복원하기
퍼즐9. 스무고개 퍼즐26. 카드 뒤집기 마술
퍼즐10. 달걀이 깨지는 높이(선형탐색) 퍼즐27. 돌 옮기기 퍼즐11. 달걀이 깨지는 높이(이진탐색) 퍼즐28. 패리티 십자퍼즐 퍼즐12. 볼링공 정렬(선택정렬) 퍼즐29. 왕이 보낸 편지 퍼즐13. 볼링공 정렬(버블정렬) 퍼즐30. 원탁 암호
3) 2차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램(교사 발문 개선)
(1) 연구 대상
2차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램에서는 D초등학교에서 진행한 언플 러그드캠프 지원자 초등학생 4∼6학년 학생 30명(남학생 14명, 여학생 16명)을 대상으로 4주간 32차시를 진행하였고 학생들에게 CT마중발문을 투입하며 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램을 진행하였다.
(2) 교육 내용
요구 분석 결과 및 퍼즐 기반 컴퓨터 교육의 특성에 따라 <표 Ⅳ-4>와 같이 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 10대 영역 하위에 학습 주제를 선정하고 그에 따른 세부 제재를 선정하고 투입하였다.
<표 Ⅳ-4> 2차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램
퍼즐14. 호텔에 간 손님 퍼즐31. 전치 암호 퍼즐15. 식당에 간 손님 퍼즐32. 진흙도시 퍼즐16. 극장에 간 손님 퍼즐33. 오렌지 게임
퍼즐17. 비즈공예 퍼즐34. 행진 순서
(3) 교육 모형
1차 개선 프로그램 연구에서의 질적 개선사항을 반영하여 컴퓨팅 사고력 요소 의 강화 단계를 일부 조정하고 활동 구분이 모호하게 운영되었던 개념 확장과 평가 단계를 개념 적용 단계로 통합하였다. 그리고 학생들의 직·간접적인 컴퓨 팅 사고력 유도를 2차 개선 프로그램에서 개발된 CT마중발문을 관련 단계에 적 용하였다.
최초 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형(CT-LC)(오정철 & 김종훈 2016)의 개 발 명칭은 ‘창의적 탐색 중심 순환학습(CE-LC)’모형이었으나 현장 적용 결과를 바탕으로 학습 단계와 단계별 컴퓨팅 사고 영역을 보완하고 퍼즐 기반 컴퓨터 과학에 특화되어 설계된 교수·학습 모형의 특성과 교수자가 쉽게 이해하고 사용 할 수 있도록 ‘퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형(CT-LC)’으로 명칭을 변경하고 단계와 내용을 보완하였다.
(4) 적용
개발한 모형에 따라 학습 단계를 설정하고 [그림 Ⅳ-6]과 같이 퍼즐 기반 컴퓨 터 교육 프로그램을 적용하였다.
[그림 Ⅳ-6] 2차 개선 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 프로그램 활동 장면
실제 퍼즐 기반 컴퓨터 교육 학습 모형 단계별 교육 예시를 살펴보면 [그림 Ⅳ-7]∼
[그림 Ⅳ-9]와 같다.
[그림 Ⅳ-7] 개념 적용 단계: 컴퓨팅 개념 적용 퍼즐 예시
[그림 Ⅳ-8] 자기 성장 보고서
알고리즘 설계
[그림 Ⅳ-9] 2차 개선 프로그램 문제 해결 설계도
학생들은 매 차시별로 같은 주제별 IT퍼즐을 받고 CT-LC모형에 따라 자료 수집, 자료 분석, 자료 표현 활동을 통해 문제를 명료하게 이해(1단계 문제 이해) 하고 문제 분해, 패턴 인식, 추상화 활동을 통해 아이디어를 설계(2단계 아이디어 설계)한다. 이때 교사는 해당 단계에 맞는 CT마중발문을 제공하여 학생들의 단 계별 컴퓨팅 사고를 유도·촉진한다.
특히 학생들은 자신의 컴퓨팅 사고 과정을 확인하고 의도적으로 컴퓨팅 사고 요소를 활성화하기 위해 ‘문제 해결 설계도’를 작성하며 문제를 해결한다. 단, 각 단계는 되도록 지키되 단계별 컴퓨팅 사고력 요소는 선택적으로 사용가능하며 요소 간의 순서는 변경 가능하다.
그리고 자신이 찾은 아이디어 설계 단계를 거쳐 알고리즘 설계 단계에서 자신 이 찾은 규칙을 포함한 문제 해결 순서를 작성해보고 문제를 해결한다(3단계 알 고리즘 설계). 다음으로 교사는 컴퓨팅 원리나 개념을 도입하여 문제 상황으로 발생한 학생들 사고의 비평형 상태를 해결한다.
개념 적용 단계인 5단계에서는 새롭게 확인 개념을 ‘컴퓨팅 개념 적용’ 또는 ’ 나만의 IT퍼즐 만들기‘ 활동을 통해 학습한 개념과 알고리즘을 적용하고 내면화 하는 기회를 갖는다.
마지막으로 활동이 끝난 뒤에 자기 성장 보고서를 작성하여 내가 많이 사용했 던 컴퓨팅 사고력의 요소와 적게 사용하였던 컴퓨팅 사고력 요소, 그리고 문제를 해결하는 데 가장 도움이 되었던 컴퓨팅 사고력 요소와 문제 해결 소감을 작성한다.
자기 성장 보고서 작성 활동을 통해 학생들은 수업 중 자신이 사용한 컴퓨팅 사고력 요소를 정리하고 명료화시킬 수 있으며 연구자는 퍼즐별 부족한 CT마중 발문을 점검하고 교재 개선에 활용할 수 있다.